對交流變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)探究

譚偉，譚冰

佳木斯電機(jī)股份有限公司

對交流變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)探究

譚偉，譚冰

佳木斯電機(jī)股份有限公司

隨著我國科技水平的不斷發(fā)展，交流變頻調(diào)速電機(jī)的出現(xiàn)已經(jīng)逐漸替代了無極調(diào)速電磁調(diào)速機(jī)和調(diào)壓調(diào)速電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中，交流變頻調(diào)速電機(jī)已經(jīng)遍布應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，在控制方面和經(jīng)濟(jì)適用方面也逐步提高到了一個(gè)高效能高實(shí)用性的方面，和直流調(diào)速電機(jī)相比也在不斷的有新的技術(shù)革新。本文筆者則從交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制入手，簡單介紹交流變頻調(diào)速電機(jī)的控制方式，然后重點(diǎn)介紹其基本的設(shè)計(jì)原理，以供參考。

交流變頻；調(diào)速電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)；控制方式；原理

前言

交流變頻調(diào)速電機(jī)目前在我國很多生產(chǎn)制造企業(yè)中應(yīng)用廣泛，其優(yōu)勢在于能夠節(jié)能環(huán)保，而在我國市面上的交流變頻調(diào)速電機(jī)均是具有負(fù)載特性的風(fēng)機(jī)和泵機(jī)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制電機(jī)，這種變頻電機(jī)的控制方式和以往風(fēng)門、閥門的調(diào)節(jié)方式相比能夠節(jié)能近一半左右。而在設(shè)計(jì)工藝的比較上，調(diào)速的生產(chǎn)工藝也是能夠調(diào)速控制的方式之一，一方面不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，更能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)對電機(jī)的沖擊。因此，交流變頻調(diào)速電機(jī)在生產(chǎn)和控制上能夠提高控制精度和生產(chǎn)效率，還能夠不斷擴(kuò)大調(diào)速范圍，起到了穩(wěn)定電壓和轉(zhuǎn)速的作用。

1.交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制方式

1.1.流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的矢量控制

交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般情況下是通過模擬直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，這樣一來直流電動(dòng)機(jī)的電樞電量控制和勵(lì)磁電流量就被確定的電流所分解，在矢量的控制上，對于轉(zhuǎn)矩的控制要對直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良性能有一定的考量，要不斷快速的相應(yīng)和并能夠起到一個(gè)良好的啟動(dòng)、制動(dòng)的效果，只有這樣才能夠符合電動(dòng)機(jī)的場合工作要求。

1.2.流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制目前在我國高速發(fā)展的電機(jī)變頻操作模式中與矢量控制和變換有著不同的運(yùn)算方式，釘子空間矢量和三廂電動(dòng)機(jī)的數(shù)字模型可以通過直接轉(zhuǎn)矩控制來一起分析，對于開環(huán)方式的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制可以共同進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩的控制。在PWM的波形下直接決定了轉(zhuǎn)矩的形成，相比之下，直接轉(zhuǎn)矩的控制效果則表現(xiàn)的更為優(yōu)秀。

1.3.流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的1V/F控制

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率F的轉(zhuǎn)速在極對數(shù)之間有著顯著的聯(lián)系。當(dāng)F出現(xiàn)變化時(shí)，定子電源的頻率就會(huì)有同步升降的轉(zhuǎn)速調(diào)整，但是在某種程度下，磁路的飽和和轉(zhuǎn)矩通常是不足的，在F改變時(shí)，定子的電壓可以進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，進(jìn)而會(huì)確保氣隙的磁通量保持不變，電動(dòng)機(jī)的工作效率也不會(huì)由此而發(fā)生改變，這種工作方式在實(shí)際控制中固然能發(fā)揮出較高的性能，但是由于其相應(yīng)的設(shè)置時(shí)開環(huán)的，因此在調(diào)速的精度較低的范圍的狀態(tài)下不能使用與高精度要求的控制。

1.4.差頻率控制

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和氣縫頻率在氣隙磁通上保持一致，那么從電機(jī)學(xué)的角度就可以得到轉(zhuǎn)差頻率與控制轉(zhuǎn)差頻率在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制上是等同的，這也就是說轉(zhuǎn)差控制頻率是通過速度檢測出的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)差頻率與逆變器的輸出頻率在控制精度上對電流的抑制等很多特性上比v/f控制方式有較大提高。但是在實(shí)際的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性上能夠得出結(jié)論，控制方式中的維持磁通和恒定關(guān)系的轉(zhuǎn)矩是基本固定的，這也由此能夠得出電磁慣性給電動(dòng)機(jī)帶來的影響在實(shí)際的動(dòng)態(tài)應(yīng)用效果上不夠理想，也不能有一個(gè)良好的控制效果。

2.基本設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1.流變頻調(diào)速電機(jī)的基本設(shè)計(jì)原理如下

我們用n1表示同步轉(zhuǎn)速，f表示交流電源頻率，p表示磁極對數(shù)，則：

n1=60f/p

而通過同步轉(zhuǎn)速公式我們又能看到，電源頻率f與轉(zhuǎn)速n之間成正比關(guān)系。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以通過對電源頻率的改變對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。

而異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩公式，又分別如下：

El=2.22fNφKdpφm

TN=C φmlRcosφR

如果在同等狀態(tài)下忽略定子阻的抗壓效果，那么如果U1= E1，那么當(dāng)U1保持一個(gè)不變的數(shù)值時(shí)，F(xiàn)電源的頻率如果持續(xù)升高，那么φ m的氣隙就會(huì)逐漸減小，TN的電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)同樣被減少，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩就會(huì)降低。如果相反的情況下電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方式如果能夠被拖動(dòng)電機(jī)的實(shí)際要求所選擇，例如在恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速的情況下，轉(zhuǎn)矩輸出保持不變，那么其φ m磁通也會(huì)保持不變。在這種方式控制下的電動(dòng)機(jī)的電壓會(huì)和頻率形成一個(gè)正比的關(guān)系。但是如果對于恒功率變頻調(diào)速來說，在保持輸出功率不變的情況下，電壓就會(huì)始終保持在一個(gè)恒定值。這種控制方式下，頻率也會(huì)不斷的增加，氣隙磁通與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之降低。

2.2.計(jì)特點(diǎn)

交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)目前普遍采用的是SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，由于生產(chǎn)波形是工頻電網(wǎng)供電產(chǎn)生的正弦，在低頻空載的情況下電動(dòng)機(jī)的損耗較大，但是溫度的升高，電動(dòng)機(jī)的工作效率卻在降低，在轉(zhuǎn)矩降低的過程中，變頻調(diào)速電機(jī)與普通電機(jī)不能陪陪的問題成為變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)的關(guān)鍵所在。通過長期的探索可以發(fā)現(xiàn)，交流變頻調(diào)速電機(jī)自帶風(fēng)扇，這對電動(dòng)機(jī)的冷卻就起到了關(guān)鍵作用，在很多場合下不能適應(yīng)變頻供電。通常在恒轉(zhuǎn)矩的工作模式下，電動(dòng)機(jī)的電流和電測會(huì)在一個(gè)恒定的數(shù)值中工作，但是在轉(zhuǎn)速與冷卻風(fēng)量成正比時(shí)，熱量會(huì)產(chǎn)生在散去就會(huì)產(chǎn)生困難。因此，經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)硬通過外通風(fēng)的方式進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)，并且應(yīng)該以科學(xué)的方式來降低電動(dòng)機(jī)的實(shí)際損耗。同時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析空氣內(nèi)的流暢和溫度場，以此來避免不同的溫度分布情況和不均勻的分布系數(shù)，通過這種方法就能夠起到分散并提高底部的散熱能力。因此，在電機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)之中，應(yīng)該充分這幾種問題，可利用減少電機(jī)氣隙不平衡以及電磁激振力的大小，并且進(jìn)一步提高對定子鐵心內(nèi)徑以及轉(zhuǎn)子鐵心外徑的實(shí)際加工精確度來降低電機(jī)噪聲。

結(jié)束語：

綜上所述，交流變頻調(diào)速電機(jī)目前的技術(shù)發(fā)展日新月異，交流變頻調(diào)速目前正以一個(gè)優(yōu)異的調(diào)整性能變?yōu)楝F(xiàn)如今最有發(fā)展前途的一個(gè)調(diào)速方式，而交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)也正是我國電動(dòng)機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)嶄新的發(fā)展歷程。因此，對于變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析就顯得尤為重要。也正因如此，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)才能夠在生產(chǎn)制造行業(yè)中發(fā)揮其更大的優(yōu)勢，為我國的生產(chǎn)制造行業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

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